Um estudo de Dartmouth Pesouspings propõe uma nova teoria sobre a origem da matéria escura, a substância misteriosa e invisível que se pensa dar ao universo sua forma e estrutura.
Os pesquisadores relatam em Cartas de revisão física Essa matéria escura poderia ter se formado no início da vida do universo a partir da colisão de partículas sem massa de alta energia que perderam o zíper e assumiram uma quantidade incrível de massa imediatamente após o emparelhamento, de acordo com seus modelos matemáticos.
Embora hipotéticos, acredita -se que a matéria escura exista com base nos efeitos gravitacionais observados que não podem ser explicados pela matéria visível. Os cientistas estimam que 85% da massa total do universo é a matéria escura.
Mas os autores do estudo escrevem que sua teoria é distinta porque pode ser testada usando dados observacionais existentes. As partículas de energia extremamente baixa que eles sugerem que a matéria escura teriam uma assinatura única no fundo cósmico de microondas, ou CMB, a radiação restante do Big Bang que preenche todo o universo.
“Dark Matter começou sua vida como partículas relativísticas quase sem massas, quase como luz”, diz Robert Caldwell, professor de física e astronomia e autor sênior do jornal.
“Isso é totalmente antitético para o que se pensa ser a matéria escura – são os nódulos frios que dão à galáxias sua massa”, diz Caldwell. “Nossa teoria tenta explicar como passou de ser leve para caroços”.
Partículas quentes e velozes dominaram o cosmos após a explosão de energia conhecida como o big bang que os cientistas acreditam que desencadeou a expansão do universo 13,7 bilhões de anos atrás. Essas partículas eram semelhantes aos fótons, as partículas sem massa que são a energia básica, ou quanta, de luz.
Foi nesse caos que um número extremamente grande dessas partículas se uniu, de acordo com Caldwell e Guanming Liang, o primeiro autor do estudo e um veterano de Dartmouth.
Eles teorizam que essas partículas sem massa foram reunidas pelas direções opostas de sua rotação, como a atração entre os pólos norte e sul dos ímãs.
À medida que as partículas esfriaram, dizem Caldwell e Liang, um desequilíbrio nos giros das partículas causou que sua energia despencava, como o vapor rapidamente esfriando na água. O resultado foi as partículas frias e pesadas que os cientistas acham que constituem matéria escura.
“A parte mais inesperada do nosso modelo matemático foi a queda de energia que preenche a energia de alta densidade e a baixa energia irregular”, diz Liang.
“Nesse estágio, é como se esses pares estivessem se preparando para se tornar matéria escura”, diz Caldwell. “Essa transição de fase ajuda a explicar a abundância de matéria escura que podemos detectar hoje. Ele surgiu do aglomerado de alta densidade de partículas extremamente energéticas que eram o universo inicial”.
O estudo apresenta uma partícula teórica que teria iniciado a transição para a matéria escura. Mas os cientistas já sabem que as partículas subatômicas conhecidas como elétrons podem sofrer uma transição semelhante, dizem Caldwell e Liang.
Em baixas temperaturas, dois elétrons podem formar o que é conhecido como pares de cooper que podem realizar eletricidade sem resistência e são o mecanismo ativo em certos supercondutores. Caldwell e Liang citam a existência de pares de Cooper como evidência de que as partículas sem massa em sua teoria seriam capazes de se condensar em matéria escura.
“Olhamos para a supercondutividade por pistas sobre se uma certa interação poderia causar que a energia caia tão de repente”, diz Caldwell. “Os pares de Cooper provam que o mecanismo existe”.
A metamorfose dessas partículas do equivalente cósmico de um expresso duplo em aveia de um dia explica o vasto déficit na densidade energética do universo atual em comparação aos seus primeiros dias, diz Liang. Os cientistas sabem que a densidade diminuiu desde o Big Bang à medida que a energia do universo se expande para fora. Mas a teoria de Liang e Caldwell também explica o aumento da densidade da massa.
“As estruturas obtêm sua massa devido à densidade da matéria escura fria, mas também deve haver um mecanismo em que a densidade de energia cai para se aproximar do que vemos hoje”, diz Liang.
“O modelo matemático de nossa teoria é realmente bonito porque é bastante simplista – você não precisa criar muitas coisas no sistema para que funcione”, diz ele. “Ele se baseia em conceitos e cronogramas que sabemos que existem”.
Sua teoria sugere que os pares de partículas entraram em um estado frio e quase sem pressionamento, à medida que ficou mais lento e pesado. Essa característica os fazia se destacar no CMB. O CMB foi estudado por vários projetos de observação em larga escala e é o foco atual do Observatório Simons no Chile e outros experimentos, como o CMB estágio 4.
Dados existentes e futuros desses projetos podem ser usados para testar a teoria de Caldwell e Liang, dizem os pesquisadores.
“É emocionante”, diz Caldwell. “Estamos apresentando uma nova abordagem para pensar e possivelmente identificar a matéria escura”.